휴대폰 배터리가 부족하면 "배터리 걱정"이 극에 달할 수 있습니다. 그 결과, 보조 배터리는 여행이나 출장 시 신분증이나 지갑처럼 "필수품"이 되었습니다. 낯선 환경에서 휴대폰이 꺼지면 마치 디지털 정전이 된 것처럼 느껴집니다. 내비게이션이 작동하지 않고, 결제가 거부되고, 아무에게도 연락할 수 없습니다. 이러한 공황 상태는 균형을 완전히 무너뜨릴 수 있습니다. 그런데 최근 보조 배터리 화재 사고가 업계를 뒤흔들며 보조 배터리의 안전성에 대한 광범위한 논의를 촉발했습니다. 2025년 6월 26일, 중국 민용항공국은 규정을 준수하지 않는 보조 배터리의 사용을 금지하는 새로운 규정을 발표했습니다. 당국은 항공기 탑승 전에 3C 인증을 받도록 요구했습니다. 이 문제는 2025년 3월 20일, 항저우발 홍콩행 항공편의 수하물칸에서 리튬 배터리가 화재로 인해 비상 착륙하면서 시작되었습니다.
1 리튬 배터리는 왜 화재가 발생합니까?
조사 결과, 화재는 Romoss 20,000mAh 보조배터리의 단락으로 인해 발생한 것으로 밝혀졌습니다. 그 후 5월 31일과 6월 13일에 항공기에서 유사한 사고가 두 건 더 발생했습니다. 리튬 이온 배터리의 안전 문제는 종종 화재나 폭발로 나타납니다. 이러한 문제의 근본 원인은 배터리 내부의 열 폭주에 있습니다. 또한, 과충전, 발화원, 압축, 펑크, 단락과 같은 외부 요인 또한 안전 문제를 유발할 수 있습니다. 가스 방출은 리튬 이온 배터리 고장의 주요 징후 중 하나입니다.
리튬 이온 배터리에 화재가 발생하면 다량의 흰 연기가 빠르게 방출되는데, 이 연기는 주로 배터리 전해액의 증기 또는 분해 생성물로 구성됩니다. 화재 초기 단계에서 연기 색깔의 차이는 리튬 이온 배터리 화재를 일반 화재와 구분하는 가장 두드러진 특징 중 하나입니다. 열 폭주 후, 배터리에서 방출된 가연성 가스는 공기와 혼합되어 폭발성 혼합물을 형성합니다. 배터리에서 방출되는 고온 입자에 노출되면 국소 폭발이 발생할 수 있으며, 화재 초기 단계에서는 종종 폭발음이 동반됩니다.
리튬 배터리 폭발 방지를 위한 2가지 조치
리튬 이온 배터리와 관련된 안전 문제는 복잡하고 다면적입니다. 가장 큰 안전 위험 요소는 즉각적인 고장을 유발하여 열 폭주로 이어지는 무작위 내부 단락입니다. 따라서 높은 열 안정성을 가진 소재를 개발하고 사용하는 것이 향후 리튬 이온 배터리의 안전성을 향상시키는 근본적인 접근 방식입니다.
1) 배터리 소재의 열 안정성 향상
음극 소재: 합성 조건 최적화, 합성 방법 개선, 도핑 및 표면 코팅 기술 사용 등을 통해 열 안정성을 개선할 수 있습니다.
음극재: 음극재의 열 안정성은 재료의 종류, 입자 크기, 그리고 SEI(고체 전해질 계면) 피막의 안정성에 영향을 받습니다. SEI 피막의 품질은 배터리의 충방전 성능과 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다. 탄소 재료 표면을 약산화시키거나 환원, 도핑 또는 표면 개질된 탄소 재료를 사용하면 SEI 피막 품질을 향상시킬 수 있습니다. 구형 또는 섬유형 탄소 재료 또한 SEI 품질 향상에 도움이 됩니다.
전해질 안정성: 전해질의 안정성은 사용되는 리튬염과 용매의 종류에 따라 달라집니다. 열 안정성이 더 우수한 리튬염과 전기화학적 활성 영역이 더 넓은 용매를 사용하면 배터리의 열 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
2) 과충전 보호 개선
과충전을 방지하기 위해 일반적으로 특수 충전 회로를 사용하여 배터리의 충전 및 방전 과정을 제어합니다. 과충전 방지 기능을 강화하기 위해 개별 배터리에 안전 밸브를 설치할 수 있습니다. 과충전 시 배터리가 가열됨에 따라 내부 저항을 증가시켜 과충전 전류를 제한하는 정온도계수(PTC) 저항기를 사용할 수도 있습니다. 특수 분리막을 사용할 수도 있습니다. 배터리의 온도가 분리 기호 비정상적인 배터리 조건으로 인해 온도가 너무 높아지면 분리막의 기공이 수축하고 막혀 리튬 이온의 이동을 방해하고 과충전을 방지합니다.
3) 고체 배터리
고체 전지는 기존 액체 전지에서 사용되는 가연성 액체 전해질을 대체하기 위해 고체 전해질을 사용합니다. 이는 전해질 누출 및 연소와 관련된 안전 위험을 근본적으로 제거하고 열 폭주 온도를 120°C에서 200°C 이상으로 높입니다. 또한, 고체 전지는 펑크와 같은 외부 충격에 노출될 때 단락, 발화 또는 폭발할 가능성이 낮습니다. 배터리가 못에 찔리거나, 베이거나, 구부러지더라도 안정성을 유지할 수 있습니다.
3 리튬 배터리의 성능
이제 충전 효율, 방전 특성, 용량 평가, 내부 저항 평가, 사이클 수명 평가를 포함한 리튬 배터리 충방전 곡선 분석 방법을 소개합니다. 충방전 곡선을 해석함으로써 배터리의 성능과 특성을 심층적으로 이해하고, 배터리 선택, 사용 및 최적화에 중요한 지침을 제공할 수 있습니다.
리튬 배터리의 성능은 다양한 전자 기기 및 전동 공구의 작동에 매우 중요합니다. 충전 및 방전 곡선은 충전 및 방전 과정 중 전압과 전류 변화를 시각적으로 반영할 수 있기 때문에 리튬 배터리 성능을 평가하는 주요 방법 중 하나입니다. 이러한 곡선을 분석하면 배터리 용량, 내부 저항, 효율과 같은 주요 매개변수에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 이는 배터리 설계 최적화 및 성능 향상을 위한 지침이 됩니다.
4 리튬 배터리 충전 곡선 분석
리튬 배터리의 충전 및 방전 곡선은 배터리 전압과 방전 용량, 그리고 충전 상태(SOC) 곡선 간의 관계를 나타냅니다. 충전 과정에서 전압은 점차 증가하고 전류는 감소합니다. 충전 곡선의 기울기는 충전 속도를 반영하며, 기울기가 가파를수록 충전 속도가 빠릅니다. 한편, 충전 곡선의 평탄 영역은 배터리가 완전히 충전되었음을 나타냅니다. 전압은 안정되는 경향이 있습니다.
충전 효율은 배터리 충전 성능을 평가하는 중요한 지표입니다. 충전 효율이 높을수록 배터리는 입력된 전기 에너지를 저장된 화학 에너지로 더욱 효과적으로 변환할 수 있습니다. 충전 곡선의 실제 충전 용량과 이론적인 충전 용량을 비교하여 충전 효율을 평가할 수 있습니다. 또한, 충전 과정에서 발생하는 에너지 손실을 관찰하여 충전 효율을 개선할 수 있는 방법을 찾을 수 있습니다.
충전 종료 전압은 배터리가 완전히 충전되었을 때의 전압 값을 말합니다. 충전 종료 전압을 적절하게 설정하면 과충전을 방지하고 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 충전 곡선을 분석하면 배터리가 안전한 범위 내에서 충전되도록 적절한 충전 종료 전압을 결정할 수 있습니다.
5 리튬 배터리 방전 곡선 분석
방전 중에는 전압이 점차 감소하고, 그에 따라 전류도 감소합니다. 방전 곡선의 모양과 기울기는 배터리 성능에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있습니다. 방전 곡선이 평평할수록 배터리의 방전 안정성이 우수하고 안정적인 에너지 출력을 제공할 수 있음을 나타냅니다. 또한, 방전 곡선의 평탄 영역을 관찰함으로써 다양한 방전 깊이에서 배터리의 전압 변화를 파악하고 배터리의 방전 성능을 평가할 수 있습니다.
방전 곡선 아래의 면적은 방전 시간에 비례합니다. 곡선 아래의 면적을 계산하면 배터리의 방전 용량을 평가할 수 있습니다. 방전 용량은 배터리의 사용 시간과 내구성에 직접적인 영향을 미칩니다.
6 내부 저항 충격
내부 저항은 배터리 내부 저항으로, 방전 특성에 영향을 미칩니다. 내부 저항이 높을수록 전압 강하가 빨라지고 방전 전력이 감소합니다. 방전 곡선을 분석하면 배터리 내부 저항을 추정하고 배터리 성능에 미치는 영향을 평가할 수 있습니다.
7 용량 평가
리튬 배터리의 용량은 저장할 수 있는 전하량을 나타냅니다. 일반적으로 밀리암페어-시간(mAh) 또는 암페어-시간(Ah)으로 측정합니다. 충전 곡선과 방전 곡선을 적분하면 배터리의 실제 용량을 계산할 수 있습니다. 또한, 여러 번의 충전 및 방전 사이클 시험을 통해 용량 감소를 관찰하고 배터리의 사이클 수명을 평가할 수 있습니다.
8 사이클 수명 평가
사이클 수명은 배터리가 여러 번의 충전 및 방전 사이클 후에도 특정 성능 수준을 유지하는 능력을 나타냅니다. 여러 사이클에 걸쳐 충전 및 방전 곡선의 변화를 관찰함으로써 배터리의 사이클 수명을 평가할 수 있습니다. 여러 사이클 후에도 곡선의 모양과 특성이 비교적 안정적으로 유지되면 배터리의 사이클 수명이 양호함을 나타냅니다. 또한, 사이클 과정에서 용량 감소를 분석하여 배터리의 전체 수명을 예측할 수 있습니다.
결론
리튬 배터리의 충전 및 방전 곡선은 배터리 전압과 방전 용량, 그리고 잔여 용량(SOC) 곡선 간의 관계를 나타냅니다. 이는 배터리 성능을 더욱 정확하게 분석하고 평가하는 데 중요한 방법입니다. 충전 효율, 방전 특성, 용량, 내부 저항, 사이클 수명을 분석함으로써 배터리 성능을 종합적으로 파악할 수 있습니다. 이러한 분석적 접근 방식은 배터리 설계 최적화, 품질 관리 및 용도 선정에 매우 중요합니다. 실제 적용에서는 다양한 시험 방법과 데이터 분석 기법을 결합하여 리튬 배터리 성능을 더욱 정확하게 평가하고 다양한 전자 기기 및 전동 공구의 안정적인 작동을 보장합니다.
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